Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật nhiệt: Tính toán khí động và đánh giá hiệu quả của tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

LÊ ĐĂNG HUY

TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA

TUABIN GIÓ HAI TẦNG CÁNH ĐỒNG TRỤC QUAY ĐỘC LẬP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2023

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Thế Bảo

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ ĐĂNG HUY MSHV: 2070339 Ngày, tháng, năm sinh: 08/08/1995 Nơi sinh: Bình Thuận

TÊN ĐỀ TÀI: Tính toán khí động và đánh giá hiệu quả của tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập

I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan về tình hình nghiên cứu lý thuyết tính toán, mô phỏng của tuabin

gió 2 tầng cánh ở trong và ngoài nước

- Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá lý thuyết tính toán công suất, các tham số

ảnh hưởng đến công suất của tuabin gió 2 tầng cánh

- Thực nghiệm hầm gió khẳng định tính ưu việt của tuabin gió 2 tầng cánh so

với loại một tầng cánh truyền thống

- Xây dựng mô hình tính toán chuẩn trên TTS-DLHCL

- Kết luận và đề xuất các hướng có thể phát triển tiếp theo của đề tài II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN THẾ BẢO

Tp HCM, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi những lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến thầy Nguyễn Thế Bảo, thầy luôn tận tình đôn đốc, giúp tôi hiểu ra rằng mình không những phải hoàn thành tốt nhất có thể luận văn mà còn phải trở nên trưởng thành hơn thông qua những cam kết, cách phân bổ thời gian, cân nhắc những việc trọng yếu trong cuộc đời Thầy còn hỗ trợ hầu như toàn bộ kinh phí thực hiện luận văn này từ việc chế tạo, máy tính, cho đến các thiết bị thử nghiệm Đối với tôi, thầy Bảo là một người thầy sống trọn với đạo đức và khoa học Tôi vô cùng kính nể và cảm phục

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể anh em Viện nghiên cứu và phát triển năng lượng bền vững - ISED, đặc biệt là Ngô Văn Minh Minh đã hướng dẫn tôi chế tạo tuabin thử nghiệm, cùng tôi tính toán, hoàn thiện hầm gió và đồng thời truyền cho tôi ngọn lửa đam mê của tuổi trẻ và sự cống hiến

Xin được cảm ơn thầy Đặng Lê Quang, bạn Lê Bá Lộc đã hỗ trợ, định hướng tôi trong quá trình thực hiện tính toán mô phỏng số

Xin gửi lời tri ân đến thầy Hà Anh Tùng, nếu không có thầy thì tôi có thể đã vụt mất cơ hội học thạc sĩ trong thời điểm khó khăn

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến cô Liên đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong việc hồ sơ giấy tờ học tập, khi mà tôi có một quỹ thời gian khá eo hẹp

Tôi rất biết ơn tất cả những Thầy, Cô trong bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền động lực và kiến thức cần thiết để tôi hoàn thiện luận văn này, và hoàn thiện thêm vốn sống của bản thân

Tôi xin chân thành cảm ơn bố mẹ, người bạn đời thân yêu đã bên cạnh hỗ trợ tinh thần, tình yêu thương, sự chăm sóc và quỹ thời gian vô giá để tôi có điều kiện tập trung và hoàn thành luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023 Tác giả

Luận văn được thực hiện tại bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh, khoa Kỹ thuật Cơ Khí, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP HCM và Viện phát triển Năng lượng Bền vững từ tháng 5 năm 2022 đến tháng 6 năm 2023

Quá trình nghiên cứu được chia thành 4 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Tổng hợp tài liệu, và nghiên cứu lý thuyết

Giai đoạn 2: Chuẩn bị mua sắm vật tư, trang thiết bị, dụng cụ đo phục vụ quá trình chế tạo mô hình thực nghiệm, và tiến hành thực nghiệm

Giai đoạn 3: Xây dựng mô hình tính toán số

Giai đoạn 4: Xử lý số liệu, viết báo cáo hoàn tất luận văn Những kết quả chính đạt được như sau :

Có nhiều mô hình lý thuyết để tính toán công suất và các đặc tính của tuabin gió 2 tầng cánh Tuy nhiên chúng đều chưa thật sự bao quát được hết các sự thay đổi có thể của một tuabin gió trên thực tế, cụ thể ở đây là tỉ lệ độ lớn của 2 tầng cánh

Từ thực nghiệm hầm gió có thể kết luận : ở tốc độ gió càng thấp thì hiệu suất của tuabin 2 tầng cánh càng cao so với một tầng cánh Ở tốc độ gió <6m/s, tuabin gió 2 tầng cánh luôn cho ra công suất lớn hơn 2,5 lần so với tuabin gió 1 tầng cánh; hệ số công suất lớn hơn 0,4 Nhờ vào đặc tính này mà tuabin 2 tầng cánh cỡ nhỏ theo sáng chế mới khẳng định được hiệu quả khi áp dụng thực tiễn Đối với những vùng gió có tốc độ trung bình thường <7 m/s tại cao độ 10m như Việt Nam, công suất sinh ra trong cùng một thời gian hoàn toàn có thể hơn gấp đôi so với tuabin 1 tầng cánh, đem lại hiệu quả kinh tế cao khi sử dụng

Mô hình TTS-DLHCL chuẩn được xây dựng có thể áp dụng cho bài toán tuabin gió 2 tầng cánh trục ngang dưới bất kì cấu hình, biên dạng cánh nào được dùng Phương pháp mô phỏng NSTBR-KOD dạng “lưới cắt”, mô hình rối k-𝜔VCUSC được sử dụng với độ sâu miền xoay tối thiểu (ở trong đề tài này lần lượt là 0,09Rf cho miền xoay trước và 0,06Rr cho miền xoay sau) sẽ cho ra công cơ học của tuabin lớn hơn thực tế một khoảng <10% ở dãy tốc độ gió tương ứng với thực nghiệm Đây là một kết quả chấp nhận được Đồng thời, tuabin gió 2 tầng cánh có những đặc tính khí động khác biệt so với loại một tầng cánh ; mà trong đó quan trọng nhất là sự biến đổi theo chu kỳ của lực tác động dọc trục và lực tiếp tuyến tác động lên cánh Điều này yêu cầu quá trình thiết kế chính xác và cụ thể hơn, đặc biệt là đối với tầng cánh sau, khi mà dao động ở tầng cánh này là lớn hơn tầng cánh trước, tạo ra tải trọng mỏi lớn

The thesis was conducted at the Department of Heat and Refrigeration Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, Ho Chi Minh City and the Institute of Sustainable Energy Development from May 2022 to June 2023

The research process is divided into four phases:

Stage 1: Synthesis of documents, and theoretical research

Stage 2: Preparing to purchase materials, equipment, and measuring instruments for the process of making experimental models, and conducting experiments

Stage 3: Building a numerical model

Stage 4: Data processing, writing report to complete the thesis The main results obtained are as follows:

There are many theoretical models to calculate the power and characteristics of 2-stage wind turbines However, they have not totally covered all possible changes in configuration of a wind turbine in practice, specifically here is the ratio of the diameter of the two blade-stage

From wind tunnel experiment, we can conclude that at lower wind speeds, the efficiency of a 2-stage turbine is higher than that of a single-stage turbine At wind speed <6m/s, 2-stage wind turbine always produces 2,5 times more power than single-stage wind turbine; the power factor is greater than 0,4 Thanks to this feature, the novel small 2-stage turbine is effective in practical applications For wind areas with an average speed of <7 m/s at an altitude of 10m like Vietnam, the power

generated in the same time can be more than double that of a single-stage turbine, bringing economic high efficiency in use

A standard CFD model is built and can be applied to the problem of horizontal axis 2-stage wind turbines under whatever blade configurations and profiles are used The URANS simulation method, using the k-𝜔 SST turbulence model will be used with the minimum depth of rotation domain (in this article, respectively 0,09Rf for the front rotation domain and 0.06Rr for the rear rotation domain) This will give a mechanical output capacity of the turbine at about <10% larger than reality at the wind speed range corresponding to the experiment This is an acceptable result In addition, the 2-stage wind turbine has different aerodynamic characteristics compared to the single-stage type; of which the most important is the cyclic variation of the axial and tangential forces acting on the blades This requires a more precise and specific design process, especially for the rear blade, where the oscillation at this stage is greater than that of the front one

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan qua lý thuyết và thực nghiệm Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Tác giả

LÊ ĐĂNG HUY

DANH MỤC KÍ HIỆU xviii

DANH MỤC VIẾT TẮT xix

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 20

1.1 Lý do chọn đề tài 20

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 21

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 22

2.1 Nguồn gốc năng lượng gió 22

2.2 Tài nguyên gió tại Việt Nam và ứng dụng tại các khu vực khác nhau 22

2.3 Tình hình nghiên cứu trong trên thế giới và trong nước 23

2.3.1 Nghiên cứu ý tưởng và chế tạo 23

2.3.2 Nghiên cứu về lý thuyết tính toán 28

2.3.3 Nghiên cứu thực nghiệm; dùng TTS-DLHCL để tính toán 29

2.4 Mục đích nghiên cứu 30

2.5 Phương pháp nghiên cứu 30

2.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 30

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT CHO TUABIN GIÓ 2 TẦNG CÁNH ĐỒNG TRỤC QUAY ĐỘC LẬP 31

3.1 Tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập theo sáng chế mới 31

3.2 Lý thuyết tính toán tuabin gió cơ bản 34

3.2.1 Thuyết động lượng một chiều (động lượng tuyến tính) 34

3.2.2 Phương pháp động lượng phân tố cánh (PP-DLPTC) 35

3.3 Nghiên cứu tính toán khí động học tuabin gió 2 tầng cánh 38

3.3.1 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của Newman 40

3.3.2 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của Chantharasenawong 44

3.3.3 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của Sundararaju với

tuabin 2 tầng cánh đường kính bằng nhau 48

3.3.4 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của F F Yin 60

3.3.5 Ứng dụng thuyết động lượng phân tố cánh để tính toán cơ bản cho tuabin 2 tầng cánh của chính tác giả 66

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 67

4.1 Thiết đặt mô hình thực nghiệm 71

4.2 Kết quả thực nghiệm 76

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT TUABIN 2 TẦNG CÁNH THEO SÁNG CHẾ MỚI BẰNG TTS-DLHCL 83

5.1 Mô hình tính toán số 83

5.1.1 Phương trình bảo toàn khối lượng [38] 83

5.1.2 Phương trình bảo toàn động lượng [38] 83

5.1.3 Phương pháp lưới cắt (Sliding mesh) 84

5.1.4 Phương pháp đơn và nhiều khung tham chiếu (DKTC, NKTC) 86

5.1.5 Lý thuyết tính toán lực, moment trong Ansys Fluent [42] 89

5.2 Khảo sát khả năng ứng dụng NKTC-Rotor tĩnh để mô phỏng 91

5.3 Khảo sát khả năng ứng dụng NKTC “lưới cắt” để mô phỏng 97

5.4 Xây dựng mô hình mô phỏng chuẩn cho tuabin 2 tầng cánh 99

5.4.1 Bài toán độc lập lưới 100

5.4.2 Bài toán mô phỏng 2 tuabin tầng cánh 105

5.4.3 Kết quả mô phỏng về moment và công suất tuabin 106

5.4.4 Kết quả mô phỏng về hướng dòng gió và hệ quả 114

5.4.5 Kết quả và nhận xét về sự suy giảm tốc độ dọc trục 118

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 122

6.1 Kết luận 122

6.2 Hướng phát triển đề tài 123

PHỤ LỤC 1 : CODE MATLAB GIẢI THUẬT CHƯƠNG 3 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 144

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 - Chênh lệch nhiệt độ bề mặt các đại dương và hướng chuyển động của

không khí trên tầng đối lưu [4] 22

Hình 2.2 - Mô hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng 24

Hình 2.3 - Mô hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều 25

Hình 2.4 - Mô hình tuabin gió trục ngang 2 tầng cánh quay ngược 26

Hình 2.5 - Bộ ly hợp của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov 27

Hình 2.6 - Tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov 27

Hình 3.1 - Cấu hình cơ bản của tuabin 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập 33

Hình 3.2 - Dòng chảy 1 chiều qua đĩa tuabin [28] 34

Hình 3.3 - Ống dòng độ dày dr tại vị trí bán kính r [28] 36

Hình 3.4 - Các vận tốc và lực tác động lên phân tố cánh tại vị trí bán kính r 36

Hình 3.5 - Các đường dòng, ống dòng đi qua n đĩa truyền động 41

Hình 3.6 - Giá trị Cp max theo số tầng cánh n bởi nhóm Newman 43

Hình 3.7 - Minh họa cách phân tích ống dòng qua tuabin 2 tầng cánh 44

Hình 3.8 - Minh họa biến đổi áp suất ống dòng trong khi qua 2 tầng cánh 45

Hình 3.9 - Minh họa biến đổi áp suất ống dòng ngoài khi qua tầng cánh trước 45

Hình 3.10 - Đồ thị hàm số CPtotal và cực trị theo a và c dạng 3d 47

Hình 3.11 - Đồ thị hàm số CPtotal theo a và c dạng 2d 47

Hình 3.12 - Đồ thị các hệ số công suất của rotor 1, 2 và hệ số công suất tổng 48

Hình 3.13 - Mô hình đĩa truyền động và các ống dòng theo đề xuất của nhóm nghiên cứu Sundararaju 49

Hình 3.14 - Hệ số công suất tối đa Max (CP(total)) theo αs 55

Hình 3.15 - Giá trị của bộ 3 biến a1, a2, b2 để hệ số công suất hệ đạt tối đa tương ứng với hình 3.14 55

Hình 3.16 - Miền tính toán cho tuabin 2 tầng cánh bằng TTS-DLHCL 56

Hình 3.17 - Kết quả mô phỏng TTS-DLHCL cho trường hợp CPtotal tối đa tại αs =0,582 57

Hình 3.18 - Mối quan hệ giữa tỉ số khoảng cách rotor/đường kính rotor (S/D) ứng

với tỉ lệ diện tích ống dòng αs để đạt được giá trị hệ số công suất tổng tối đa 57

Hình 3.19 - Tỉ số khoảng cách rotor/đường kính rotor (S/D) ứng với hệ số công suất tổng tối đa 58

Hình 3.20 - CP(total) tối đa trong trường hợp 2: b2 = 1, c1 = 1/3 59

Hình 3.21 - Các ống dòng đi qua rotor trước và sau 61

Hình 3.22 - Phân tích một ống dòng đi qua lần lượt 2 rotor và sự thay đổi vận tốc sau của dòng gió sau khi đi qua 2 rotor đó 63

Hình 3.23 - Kết quả phân bố hệ số cảm ứng dọc trục theo tỉ số S/D của tuabin tham khảo NREL-5 MW 66

Hình 4.1 - Cấu tạo hầm gió để thực nghiệm 69

Hình 4.2 - Thiết bị đo tốc độ gió điện tử 71

Hình 4.3 - Phổ tốc độ gió dọc trục từ hầm gió, nhìn từ mặt chiếu đứng 71

Hình 4.4 - Thiết lập thực nghiệm hầm gió: đo công suất, tổng rpm 72

Hình 4.5 - Thiết lập thực nghiệm hầm gió: đo rpm tầng trước 73

Hình 4.6 - Đo moment khởi động của tầng cánh trước 75

Hình 4.7 - Đo moment khởi động của tầng cánh sau 75

Hình 4.8 - So sánh kết quả thực nghiệm tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới so với chỉ tầng cánh trước: (a) Công suất điện; (b) Hệ số công suất; (c) Các chỉ số tỉ lệ công suất và tỉ lệ hệ số công suất 82

Hình 5.1 - Mô tả miền xoay b và miền tĩnh a [39] 85

Hình 5.2 - Sự không liên tục của lưới giữa miền tĩnh bên trái và miền xoay bên phải [39] 86

Hình 5.3 - Mô tả ý tưởng chính của phương pháp DKTC và NKTC [39] 87

Hình 5.4 - Các vận tốc mà phân tố cánh “cảm thấy” [39] 88

Hình 5.5 – Mô tả DKTC 89

Hình 5.6 – Mô tả NKTC 89

Hình 5.7 - Ý tưởng mô phỏng ban đầu, sử dụng NKTC Rotor tĩnh 91

Hình 5.8 - Thực nghiệm tuabin NREL VI [43] 92

Hình 5.9 - Lưới chia sử dụng trong mô hình Rotor tĩnh cho tuabin NREL VI: 94

Hình 5.10 - Kết quả mô phỏng hoạt động tuabin NREL VI theo độ sâu miền xoay 96Hình 5.11 - So sánh kết quả mô phỏng công suất cơ học của tuabin NREL VI trong

trường hợp độ sâu miền xoay 0,06Rf và 0,09Rf sử dụng “lưới cắt” 98

Hình 5.12 - Vorticity=6 s-1 , trường hợp độ sâu 0,06Rf 98

Hình 5.13 - Vorticity=6 s-1 , trường hợp độ sâu 0,09Rf 98

Hình 5.14 - Kích thước chi tiết của mô hình tính toán 99

Hình 5.15 - Các vùng lưới bề mặt với chất lượng khác nhau trên cánh tuabin 101

Hình 5.16 - Lưới chia điển hình của các miền tính toán dùng cho tuabin 2 tầng cánh: (a) Lưới tính toán cho miền xoay của tầng cánh trước; (b) Lưới tính toán cho miền xoay của tầng cánh sau; (c) Lưới tính toán cho miền tĩnh 102

Hình 5.17 - Đồ thị kết quả công suất cơ học trên trục của tuabin theo các trường hợp lưới tính toán khác nhau 103

Hình 5.18 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió 7m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Công suất tuabin 108Hình 5.19 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió 6m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Công suất tuabin 109Hình 5.20 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió 5m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Công suất tuabin 110Hình 5.21 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió 4m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Công suất tuabin 111Hình 5.22 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió 3m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Công suất tuabin 112Hình 5.23 - Sự biến thiên moment xoắn của tầng cánh trước và tầng cánh sau theo tốc độ gió tự do vào tuabin: (a) Tầng trước; (b) Tầng sau 113

Hình 5.24 - Biến thiên theo thời gian của lực đẩy tác dụng lên tầng cánh trường hợp gió vào 7m/s: (a) Tầng trước; (b) Tầng sau 114

Hình 5.25 - Cấu trúc dòng chảy xoáy đằng sau tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió vào 7m/s: (a), (b) Bề mặt đẳng vorticity =12s-1 2 tầng cánh xoay; (c), (d) Bề mặt đẳng vorticity =9s-1 chỉ tầng cánh trước xoay 115

Hình 5.26 - Trường vận tốc và áp suất điển hình của tuabin 2 tầng cánh theo sáng

chế mới: (a) Trường vận tốc dọc trục; (b) Trường áp suất 116

Hình 5.27 - Trường vận tốc và áp suất điển hình của tuabin 1 tầng cánh: (a) Trường

vận tốc dọc trục; (b) Trường áp suất 117

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 - Quy hoạch điện gió trên bờ của Việt Nam theo khu vực 23

Bảng 3.1 - Bảng giá trị ar mà tại đó Cp đạt max theo n và r 43

Bảng 4.1 - Thông số thiết lập cơ bản của thực nghiệm tuabin gió 2 tầng cánh 67

Bảng 4.2 - Bảng các thành phần của mô hình thực nghiệm 71

Bảng 4.3 - Các bước thực nghiệm chi tiết 73

Bảng 4.4 - Tóm tắt thông số và kết quả đo moment cản khởi động 76

Bảng 4.5 - Kết quả thử nghiệm hầm gió của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới 76Bảng 4.6 - Kết quả thử nghiệm hầm gió của tuabin 1 tầng cánh 77

Bảng 4.7 - Kết quả và sai số chi tiết của thử nghiệm hầm gió tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới 77

Bảng 4.8 - Kết quả và sai số chi tiết của thử nghiệm hầm gió tuabin 1 tầng cánh 78

Bảng 4.9 - Kết quả và sai số chi tiết về hệ số công suất trong thử nghiệm hầm gió tuabin 2 tầng cánh 79

Bảng 4.10 - Kết quả và sai số chi tiết về hệ số công suất trong thử nghiệm hầm gió tuabin 1 tầng cánh 80

Bảng 4.11 - Kết quả và sai số chi tiết về tỉ lệ công suất điện và tỉ lệ hệ số công suất so sánh giữa tuabin 2 và 1 tầng cánh theo tốc độ gió 80

Bảng 5.1 - Thông số biên dạng cánh tuabin NREL VI [43] 92

Bảng 5.2 - Tổng hợp điều kiện đầu vào cho mô hình tính tuabin NREL VI 95

Bảng 5.3 - Bảng kết quả mô phỏng cho tuabin NREL VI dùng NKTC-Rotor tĩnh 95Bảng 5.4 - Cụ thể kích thước mô hình tính toán và ý nghĩa từng kích thước 99

Bảng 5.5 - Điều kiện đầu vào của bài toán xét độc lập lưới tuabin 2 tầng cánh 101

Bảng 5.6 - Thông số lưới và kết quả công suất theo trường hợp lưới 103

Bảng 5.7 - Các thông số cụ thể được sử dụng để chia lưới 104

Bảng 5.8 - Thông số đầu và thông số xét hội tụ bài toán mô phỏng 2 tầng cánh 105

Bảng 5.9 - Kết quả mô phỏng về moment và công suất tuabin 2 tầng cánh 106

Bảng 5.10 - So sánh hệ số cảm ứng dọc trục giữa trường hợp 7m/s và 4m/s 118

Bảng 5.11 - Hệ số cảm ứng dọc trục cảm nhận được của tầng cánh sau trong 1 chu kì 2 tầng cánh cắt nhau 120

DANH MỤC KÍ HIỆU

A Tiết diện quét, mặt cắt, m2

P, Pe Công suất cơ học, Công suất điện, W

𝑉0, V, 𝑉∞; VT Vận tốc tự do đến từ xa; tốc độ hầm gió m/s a, b, c, d, e, f Hệ số cảm ứng dọc trục, không thứ nguyên

𝐶𝑝, 𝐶𝑇 Hệ số công suất, hệ số lực đẩy, không thứ nguyên 𝜔, Ω Tốc độ góc của tầng cánh, rad/s

𝜃𝑝,0 Góc nghiêng chung của cánh, rad

𝜃𝑟 Góc đặt cánh so với góc nghiêng chung, rad Cl Hệ số lực nâng, không thứ nguyên

Cd Hệ số lực đẩy, không thứ nguyên

DANH MỤC VIẾT TẮT

Viết tắt tiếng Anh

Viết tắt tiếng Việt

Tên thuật ngữ tiếng Anh

Tên thuật ngữ tiếng Việt

BEM PP-DLPTC Blade element method Phương pháp động lượng phân tố cánh

TTS-DLHCL

Computational fluid dynamic

Tính toán số động lực học chất lưu

LBM-LES LBM

MPXL-Lattice Boltzmann method-based large-eddy simulation

Mô phỏng xoáy lớn dựa trên phương pháp Lattice Boltzmann

MRF NKTC Multiple reference frame

Nhiều khung tham chiếu

Energy Laboratory

Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia, Hoa Kỳ

TT-TTTAAS

Thuật toán Implicit Splitting of Operators

Pressure-Thuật toán tách toán tử ẩn áp suất

RANS NSTBR-t Reynolds Averaged Navier-Stokes

Hệ phương trình Stokes trung bình Reynolds ổn định

Navier-RKE KE-THD Realizable k-𝜀 turbulence model

Mô hình nhiễu loạn k-ε “Thực hiện được”

KE-THD-CTMR

Realizable k-𝜀 turbulence model Scalable wall function

Mô hình nhiễu loạn k-ε “Thực hiện được” với hàm số tường “Có thể mở rộng” SRF DKTC Single reference frame Đơn khung tham chiếu k-𝜔SST k-𝜔VCUSC k-𝜔 Shear Stress

Hệ phương trình Stokes trung bình Reynolds không ổn định

Navier-Trong khuôn khổ luận văn này, để thuận tiện cho việc theo dõi thì những từ viết tắt và thuật ngữ tiếng Anh gốc sẽ được trình bày bằng từ tiếng Việt tương đương như trong danh mục trên

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Mọi sự phát triển của con người, các hoạt động sản xuất, đời sống đều cần phải tiêu tốn năng lượng dưới nhiều hình thức khác nhau Điều này đóng một vai trò cơ bản trong sự phát triển của các nền văn minh

Các nguồn năng lượng truyền thống, không tái tạo đang được con người khai thác một cách triệt để cho sự phát triển của nhân loại: Theo đánh giá của Liên hiệp quốc trong World Energy Assessment Overview, tổng dự trữ năng lượng hóa thạch đã xác minh trên toàn thế giới hiện nay là 778 Gtoe [1] Điều đó có nghĩa là với mức sử dụng như năm 2001 thì con người chỉ còn 251 năm sử dụng đối với than, 64 năm với khí thiên nhiên và 41 năm đối với dầu mỏ Nguồn năng lượng đầy tiềm năng khác là năng lượng hạt nhân cũng xuất phát từ việc bắn phá các đồng vị phóng xạ, vốn dĩ cũng là có hạn và sẽ mất dần theo thời gian Tất nhiên mức sử dụng năng lượng sẽ tăng lên dần theo thời gian, nếu không có biện pháp thay thế hoặc tái tạo thì thời gian con người còn than, khí thiên nhiên… hay Uranium cũng giảm đi nhiều Trước viễn cảnh đó, các nguồn năng lượng tái tạo dưới nhiều dạng khác nhau: bức xạ mặt trời, sinh khối, thế năng của nước, địa nhiệt … và đặc biệt là năng lượng gió được con người nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn nhằm hướng đến mục tiêu thay thế từng phần và tiến đến thay thế hoàn toàn các nguồn năng lượng không tái sinh Việt Nam cũng đã có những bước đi tích cực với cam kết đạt phát thải ròng bằng 0 tại COP26 [2], điều đó tạo động lực và trách nhiệm cho toàn thể xã hội và ngành khoa học nước nhà

Trong xu thế toàn cầu hóa và giao lưu công nghệ, chính phủ và người dân Việt Nam đã dần quen với các tuabin gió khổng lồ, nhập từ nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Đức, Anh, Trung Quốc… với công suất trên nhiều MW Tuy nhiên Việt Nam chưa có nhiều công trình nghiên cứu tính toán, chế tạo cho tuabin gió cỡ nhỏ và siêu nhỏ, công suất dưới 5kW và đặc biệt là để phục vụ cho nhu cầu sử dụng đa dạng từ thành thị đến nông thôn, nơi mà thế năng gió rất dồi dào Ứng dụng của tuabin gió trong tầm công suất này cũng hết sức đa dạng và có tiềm năng: Sử dụng cho hộ gia đình, sử dụng

cho trang trại để thay thế một phần nhu cầu tiêu thụ điện năng… Điều đó đã thôi thúc học viên trên con đường khoa học ứng dụng, đây là vấn đề được học viên đặc biệt quan tâm và lựa chọn làm đề tài luận văn để nghiên cứu

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tuabin gió trục ngang 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập có công suất dưới 4kW, cụ thể là tuabin 1 kW 2 tầng cánh tại tốc độ gió định mức là 8 m/s với cấu hình dựa theo sáng chế mới [3]

- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh tĩnh, trong đề tài không đề cập đến lý thuyết phân tố cánh động

- Điều kiện gió thực nghiệm từ hầm gió trong khoảng từ 3m/s - 7m/s Điều này để phù hợp với phạm vi ứng dụng mà tuabin 2 tầng cánh có lợi thế, đó là khu vực gió tốc độ thấp

- Nghiên cứu giới hạn ở việc so sánh kết quả tính toán, mô phỏng với mô hình thực nghiệm, chưa lắp đặt thực tế Đó sẽ là phần mở để nghiên cứu tiếp sau cho luận văn này

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Nguồn gốc năng lượng gió

Bầu khí quyển, nước và không khí trong phạm vi Trái Đất có nhiệt độ không đều nhau do mức độ hấp thụ khác nhau với bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất Chính vì lí do đó mà làm cho các luồng không khí chuyển động và sinh ra gió

Hình 2.1 - Chênh lệch nhiệt độ bề mặt các đại dương và hướng chuyển động của

không khí trên tầng đối lưu [4]

Năng lượng gió mà con người sử dụng được là gió bề mặt (tầng gió ở độ cao thấp hơn 100m so với mặt đất), bị ảnh hưởng bởi cấu trúc bề mặt trái đất Tất nhiên ở những tầng không khí cao hơn, con người vẫn có thể sử dụng được tiềm năng của gió, tuy nhiên vấn đề độ bền, kết cấu của tuabin lúc này gây nhiều tốn kém và làm hiệu quả kinh tế của tuabin không còn cao

2.2 Tài nguyên gió tại Việt Nam và ứng dụng tại các khu vực khác nhau

Theo báo cáo cập nhật các nguồn năng lượng tái tạo ‘phi thủy điện’ của Tạp chí Năng lượng Việt Nam (tháng 8/2020) [5]: Tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió (trên bờ) của Việt nam khoảng 217 GW, còn tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió (ngoài khơi) khoảng 600 GW [6]

Cụ thể, tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió trên bờ của Việt Nam được chia theo các mức độ gió như sau:

1/ Tốc độ gió cao (>6m/s) là 24 GW

2/ Tốc độ trung bình (5,5 - 6m/s) là 30 GW 3/ Tốc độ thấp (4,5 - 5,5m/s) là 163 GW

Việt Nam được chia thành 6 vùng điện gió trên bờ Theo tổng hợp, công suất điện gió trên bờ đã được phê duyệt và đang trình bổ sung quy hoạch như bảng dưới:

Bảng 2.1 - Quy hoạch điện gió trên bờ của Việt Nam theo khu vực

Tên vùng Đã được bổ sung quy hoạch (MW) Đã đăng ký đầu tư (MW)

2.3 Tình hình nghiên cứu trong trên thế giới và trong nước 2.3.1 Nghiên cứu ý tưởng và chế tạo

* Những ý tưởng ngoài nước ban đầu

Trên thế giới hiện nay đã có những tuabin gió công suất từ vài MW đến 15 MW Tuy nhiên loại tuabin công suất lớn này chỉ được sản xuất bởi vài quốc gia có trình độ công nghệ rất cao và phù hợp với vùng có tốc độ gió trên 10 m/s Vì vậy đã có nhiều nghiên cứu nhằm cố gắng tìm ra giải pháp thay thế cho các tuabin gió trục ngang công suất lớn thông thường bằng cách sử dụng nhiều rotor trên một tháp với hai mục tiêu sau [7]:

1 Để thay một rotor lớn bằng một số rotor nhỏ;

2 Sử dụng năng lượng còn thừa sau rotor đầu tiên để nâng cao hiệu suất thực tế của tuabin

Hai mô hình khác nhau được đề xuất và phát triển với mục tiêu đầu tiên là: - Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng 1 mặt phẳng (Co-planer multi rotor wind tuabin);

- Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều (Unidirectional axial series rotor wind tuabin);

co-Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng bao gồm một số rotor được gắn trên cùng một tháp Nó bao gồm một số rotor nhỏ có diện tích tương đương để thay thế một cánh tuabin lớn Mỗi rotor được hỗ trợ bởi một giá đỡ riêng biệt và truyền công suất đến một máy phát điện riêng biệt để sản xuất điện Điều này tạo thành một cụm các tuabin gió nhỏ thông thường được gắn trên một tháp Hình 2.2 trình bày các dạng tuabin gió được thiết kế theo nguyên lý này, trong đó mẫu a, b, c (theo tứ tự từ trái sang) được thiết kế bởi Hãng Lagerwey Wind trong những năm 1908s đến 1990s [7] trong khi mẫu d được thiết kế và thử nghiệm bởi Phòng thí nghiệm NASA năm 2010 [7] Vấn đề mà loại tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng đang gặp phải là phần điều khiển đuôi để hãm tuabin khi gặp gió bão ( 25 m/s) và đồng bộ hóa phát điện giữa các rotor riêng lẻ

Hình 2.2 - Mô hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng

Tuabin gió loại rotor đồng trục một chiều bao gồm một số rotor gắn phía trước và một số gắn phía sau tháp tuabin trên một trục truyền động chung để dẫn động một máy phát điện như thể hiện trong Hình 2.3 Loại này có những ưu điểm sau so với tuabin gió rotor đơn và tuabin gió nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng như sau [7]:

- Đối với tuabin gió loạt rotor đồng trục một chiều cần máy phát điện truyền động trực tiếp kích thước nhỏ vì vòng tua máy cao hơn

- Chi phí của máy phát có vòng tua cao thấp hơn so với máy phát có vòng tua thấp

- Có độ ổn định cấu trúc tốt vì nó có chứa rotor ở cả hai phía của trục ngang

Hình 2.3 - Mô hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều

Tuy nhiên loại này có nhược điểm lớn là độ bền kết cấu không được cao vì trục nằm ngang quá dài Hơn nữa, vấn đề điều khiển đuôi để ngừng tuabin khi gặp gió bão vẫn tồn tại

Tuabin gió trục ngang quay ngược chiều nhau (counter rotating horizontal axis wind turbine) được phát triển để đáp ứng mục tiêu thứ hai nói trên, đó là sử dụng năng lượng còn thừa của rotor thứ nhất bằng cách đặt rotor thứ hai phía sau nó để nâng cao hệ số hiệu suất thực tế như trong Hình 2.4 Công suất của rotor thứ hai quay ngược chiều được sử dụng cho mục đích chính là để dẫn động phần ứng bên trong trong khi rotor phía trước được sử dụng để dẫn động phần ứng ngoài Do đó, tốc độ tương đối giữa các rotor tăng lên, cuối cùng giúp thu được nhiều năng lượng hơn so với tuabin gió rotor đơn

Tiếp đến, có 2 hướng chính để khai thác năng lượng từ loại tuabin này:

- Công suất cơ học của cả hai rotor được kết hợp bởi các bánh răng và được sử dụng để truyền động cho máy phát điện [8]

- Sử dụng hai máy phát điện riêng biệt kết hợp với hai rotor [9]

Hình 2.4 - Mô hình tuabin gió trục ngang 2 tầng cánh quay ngược

Mặc dù trọng lượng đối trọng của các rotor ở cả hai mặt của tháp cải thiện độ ổn định của hệ thống tuabin gió, tuabin gió quay ngược có thể không khả thi ở quy mô MW do trục nhô ra để duy trì khoảng cách thích hợp giữa các cánh tuabin Các tuabin gió quay ngược theo phương pháp bánh răng [8] cần sự sắp xếp bánh răng phức tạp và sự đồng bộ hóa phức tạp sau đó Với cấu hình sử dụng 2 máy phát điện thì tuabin có cấu tạo phức tạp [7] và gặp vấn đề về việc đồng bộ hóa dòng điện ra [9]

* Những ý tưởng hiện đại nhằm thực tế hóa tuabin 2 tầng cánh

Gần đây đã có những nghiên cứu tiếp đến để hiện thực hóa các mô hình lý tưởng ở trên, như sáng chế của nhóm nghiên cứu Bakanov [10] với tên gọi: “Dual rotor wind power assembly” tập trung vào giải quyết vấn đề hãm tốc của tuabin 2 tầng cánh bởi bộ ly hợp (hình 2.5) Mô hình tuabin được ông đưa ra với tên thương mại là: ИнС-В-1000 [11] thể hiện trên hình 2.6 Tuy nhiên trong cùng một sáng chế này ông đưa ra

hệ số công suất của tuabin 2 tầng cánh đạt tới 100%, đây là một điểm đáng chú ý và có thể chưa được chính xác lắm về mặt logic

Hình 2.5 - Bộ ly hợp của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov

Hình 2.6 - Tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov

Ngoài ra còn rất nhiều những mô hình sáng chế khác được đăng ký tại Mỹ [12], [13], [14] Tuy nhiên chúng đều chưa được hiện thực hóa, hoặc đều sử dụng hệ bánh răng hành tinh với tổn thất lớn nên chưa được ứng dụng trong thực tiễn và đặc biệt là không ứng dụng được cho hệ tuabin gió cỡ nhỏ

* Nghiên cứu trong nước:

Tại Việt Nam hầu như chưa có nhiều nghiên cứu về tính toán, ứng dụng tuabin gió 2 tầng cánh, chỉ có một số nghiên cứu sau:

- Nguyen The Bao, Ngo Van Minh, and Ngo Gia Huy (2022); Horizontal Coaxial Dual-Stage Wind Turbine with Independent Rotation, Computational Intelligence Methods for Green Technology and Sustainable Development, GTSD 2022, LNNS 567, 1-10 (Scopus: Book Series) [15]

- Nguyen The Bao, Ngo Van Minh, Ngo Gia Huy (2022); Method to Improve the Power Coefficient of Vertical Axis Wind Turbines, Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2022, 29-39 (Scopus: Book Series) [16]

- Huy L D, Bảo N T Ứng dụng lý thuyết phân tố cánh trên tuabin gió trục ngang để tính toán tuabin gió hai tầng cánh Sci Tech Dev J - Eng Tech.; 5(3):1605-1613 [17]

- Nguyễn Thế Bảo, Ngô Văn Minh, Ngô Gia Huy (2021); Nghiên cứu và chế tạo cánh GOE 222 dùng cho tuabin gió trục ngang công suất nhỏ, Hội nghị Khoa học & Công nghệ Toàn quốc về Cơ khí lần thứ VI - NSCME2021, TP Hồ Chí Minh, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, trang 367-374 [18]

- Công báo sở hữu công nghiệp về tuabin gió 2 tầng cánh của PGS TS Nguyễn Thế Bảo [3]

- Nguyễn Thế Bảo, Ngô Gia Huy, Ngô Văn Minh (2021); Đăng ký sáng chế cánh quạt có biên dạng khí động học sử dụng cho tuabin gió hai tầng cánh Quyết định số 18277w/QĐSHTT của Cục Sở hữu Trí tuệ về việc chấp nhận đơn hợp lệ

Các nghiên cứu nói trên hiện nay cũng chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu cơ bản, chưa đưa ra phương pháp tính toán cũng như thực nghiệm

2.3.2 Nghiên cứu về lý thuyết tính toán

Điều đầu tiên cần nói đến là lý thuyết tính toán về tuabin gió 2 tầng cánh vẫn chưa thực sự hoàn thiện và được chấp nhận rộng rãi, còn rất nhiều điều gây tranh cãi và cần được phát triển thêm Trong phạm vi của luận văn này thì tác giả cũng tổng hợp tuần tự những nguồn nghiên cứu đáng tin theo thời gian, đồng thời đưa ra những yếu tố tiếp theo cần phải xét đến khi tính toán tuabin gió 2 tầng cánh

Phần này sẽ được đề cập cụ thể trong một chương riêng như nội dung chính của đề tài

2.3.3 Nghiên cứu thực nghiệm; dùng TTS-DLHCL để tính toán

* Về thực nghiệm:

Jung et Al - 2005 [19] trong nghiên cứu của mình đã đưa ra thực nghiệm về tuabin gió 2 tầng cánh 30 kW, biện luận hiệu quả của cấu hình tuabin khi thay đổi tỉ lệ đường kính 2 tuabin và khoảng cách giữa chúng Tuy nhiên mô hình trong nghiên cứu này sử dụng hệ bánh răng hành tinh để truyền động, và kết quả thu được cho thấy hiệu quả khai thác năng lượng của tuabin 2 tầng cánh lớn hơn không nhiều so với tuabin 1 tầng cánh Lucia-Andreea Mitulet và các cộng sự [20] đã tiến hành thực nghiệm kiểm tra công suất tuabin gió 2 tầng cánh, khẳng định được độ tăng công suất trung bình khoảng 40% trong dãy tốc độ từ 5,5 đến 10 m/s khi so với tuabin 1 tầng cánh P Santhana Kumar và các cộng sự [21] đã tiến hành thực nghiệm mô hình thu nhỏ của tuabin 2 tầng cánh, tiến hành đo công suất và so sánh với kết quả mô phỏng TTS-DLHCL Tuy nhiên đối với tuabin theo sáng chế kết cấu truyền động mới thì vẫn chưa có thực nghiệm hầm gió nào để đánh giá đúng hiệu quả hoạt động của nó

* Về tính toán mô phỏng số bằng TTS-DLHCL:

Li Zhiqiang và các cộng sự [22] đã nghiên cứu tính toán TTS-DLHCL cho tuabin gió trục ngang ứng dụng mô hình mô phỏng MPXL-LBM, nhóm rút ra được công suất của tuabin khi thay đổi góc đặt cánh và khoảng cách giữa 2 tầng cánh Nhóm nghiên cứu của A Rosenberg [23] sử dụng mô hình NSTBR-T để tối ưu thiết kế của tuabin và sau đó dùng mô hình MPXL để xác nhận hiệu quả của tuabin 2 tầng cánh F.F Yin và các cộng sự [24] sau khi đề xuất lý thuyết tính toán cho tuabin 2 tầng cánh đã thực hiện một mô phỏng TTS-DLHCL để xác nhận giá trị sử dụng Amr Mohamed và các cộng sự [25] đã sử dụng mô hình NKTC Rotor tĩnh để mô phỏng tuabin 2 tầng cánh cỡ nhỏ có lắp đặt cơ cấu tăng tốc bằng ống khuếch tán (diffuser) Bên cạnh đó là rất nhiều những nghiên cứu ứng dụng TTS-DLHCL cho tuabin gió một tầng cánh [26], [27] Tuy nhiên tất cả những nghiên cứu này đều chưa nêu rõ cách thiết lập cụ thể của mô hình TTS-DLHCL mà có thể dùng để ứng dụng cho nhiều loại cấu hình tuabin 2

tầng cánh trục ngang khác nhau (cụ thể là với khoảng cách giữa 2 tầng cánh thay đổi từ nhỏ đến lớn dần)

2.4 Mục đích nghiên cứu

- Nhằm mục đích tính toán công suất, đánh giá hiệu năng của mô hình tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập theo bằng sáng chế số: 1-2021-03837 của PGS TS Nguyễn Thế Bảo [3], cũng như làm tiền đề nghiên cứu để có thể ứng dụng tuabin gió quy mô nhỏ vào thực tế các trang trại tại Việt Nam mà luận văn này được ra đời

Kết quả nghiên cứu của đề tài phải đáp ứng những yêu cầu sau đây:

- Thiết lập được các công thức tính toán công suất, hiệu suất của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới

- Thiết lập mô hình hầm gió để kiểm nghiệm hiệu quả, hiệu suất hoạt động thực tế của tuabin 2 tầng cánh so với 1 tầng cánh

- Xây dựng được mô hình tính toán công suất tuabin 2 tầng cánh trên Ansys Fluent, sử dụng trong nhiều trường hợp

- Đưa ra những hạn chế và hướng phát triển tiếp của đề tài

2.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

- Tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam, xây dựng cơ sở lý thuyết để tính toán cho tuabin theo sáng chế mới

- Xây dựng mô hình tính toán lý thuyết và mô hình tính toán mô phỏng phù hợp để dự đoán hiệu quả hoạt động của tuabin

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

- Xây dựng mô hình thực nghiệm trong hầm gió, so sánh và tổng hợp các kết quả nghiên cứu đạt được

2.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

- Kết quả của luận văn được sử dụng làm cơ sở dữ liệu và tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sau này

- Luận văn đưa ra giải pháp tính toán đúng với chi phí tính toán phù hợp, có thể ứng dụng được với độ chính xác tương đối cho các tuabin gió 2 tầng cánh trục ngang với bất kì cấu hình nào

Ý nghĩa thực tiễn:

- Vấn đề năng lượng ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung đang là vấn đề cấp thiết và rất được quan tâm Việc thúc đẩy đầu tư nghiên cứu, tính toán và ứng dụng các hệ thống cung cấp năng lượng, đặc biệt dưới dạng năng lượng tái tại đang được quan tâm và khuyến khích đặc biệt là khi Quy hoạch điện VIII được chính thức ban hành vào ngày 15/05/2023 vừa qua Nghiên cứu, tính toán thành công cho tuabin gió có thể giúp thiết kế được những tuabin phù hợp để đáp ứng vấn đề năng lượng cho những nhu cầu quy mô nhỏ như: hộ gia đình, trang trại trong tương lai; đặc biệt là ở những khu vực biên cương, hải đảo, vùng sâu vùng xa khó tiếp cận với lưới điện

- Nghiên cứu, tính toán và ứng dụng được tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập có ý nghĩa môi trường và xã hội, góp phần hướng đến mục tiêu của COP26 mà Thủ tướng Chính phủ đã cam kết

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT CHO TUABIN GIÓ 2 TẦNG CÁNH ĐỒNG TRỤC QUAY ĐỘC LẬP

3.1 Tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập theo sáng chế mới

Dưới đây là mô tả tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập theo nguyên bản của sáng chế [3] (hình 3.1) Khi thực hiện luận văn này, một số tinh chỉnh về kích thước, khoảng cách giữa 2 tầng cánh… đã được áp dụng để phù hợp với điều kiện thực tế của hầm gió và công suất thiết kế

- Hình 3.1 là hình cắt ngang thể hiện toàn bộ các bộ phận và cấu tạo của tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập theo sáng chế mới Bộ chân đế xoay 35 có cấu tạo là một ống thép được hàn với bên dưới là một mặt bích để có thể gắn với cột 36 bằng bu lông Trên ống thép có một vòng chắn 22, phía trên vòng 22 là một ổ lăn 23 Khi gắn bộ khung xoay 21 lên bộ chân đế xoay thì trên khung xoay là một ổ lăn 24 và

một vòng khóa 25 Toàn bộ bộ khung xoay chuyển động quay bộ đế xoay nhờ hai ổ lăn 23 và 24 Bộ khung xoay được cố định trên chân đế xoay nhờ vòng khóa 25

- Bộ khung xoay 21 được hàn từ các miếng thép tấm, trên khung xoay 21 có một ống thép 18 được tiện để gắn hai ổ lăn 17 và 19 ở hai đầu Ống thép 18 được hàn cứng vào khung xoay

- Trục tuabin 16 là một trục thép đặc được gắn chặt với lõi rotor động cơ phát điện 8 và ống thép 18 trên hai ổ lăn 17, 19 của bộ khung xoay 21 Trục tuabin 16 được cố định trên bộ khung xoay 21 bằng đai ốc 20

- Rotor động cơ phát điện 8 gồm các lá thép được ghép với nhau và được gắn vào nam châm 9 Rotor động cơ phát điện 8 được gắn với trục tuabin 16

- Stator động cơ phát điện 7 gồm các lá thép kỹ thuật điện được ghép với nhau để cuốn dây đồng và được gắn với vỏ 6 Hai nắp đậy 10 và 11 là bộ phận để định tâm rotor trong stator Trên hai nắp 10 và 11 có hai ổ lăn 12 và 13 giúp rotor quay được trong stator Hai phớt cao su 17 và 33 được gắn trên 2 nắp 10, 11 để ngăn nước và chất lỏng khác lọt vào động cơ phát điện

- Cổ góp điện 14 gồm ba vòng đồng được gắn cách điện với nhau và gắn cố định vào nắp của động cơ phát điện, cổ góp 14 được gắn với ba đầu dây của máy phát điện, giúp dây điện không bị xoắn khi tuabin hoạt động

- Chổi than 15 gồm ba chổi than quét xung quanh ba vòng đồng trên cổ góp 14 để dẫn điện từ động cơ sang bộ cổ góp chổi than 26 và đi xuống nơi sử dụng điện Chổi than 15 được gắn trên bộ khung xoay 21

- Tầng cánh trước 1 gồm ba cánh được gắn vào đĩa cánh 30 nhờ bộ giữ cánh 3 Toàn bộ cánh và đĩa cánh được gắn vào trục 16 Khi hoạt động tầng cánh trước 1 quay theo chiều kim đồng hồ và kéo rotor 8 quay quanh stator 7 và khung xoay 21

- Tầng cánh sau 2 cũng gồm ba cánh được gắn vào đĩa cánh 36 nhờ các bộ giữ cánh 4 Toàn bộ tầng cánh sau được gắn vào vỏ và stator 7 của động cơ phát điện Khi hoạt động tầng cánh sau 2 quay ngược chiều với tầng cánh trước 1 và kéo stator 7 của máy phát điện quay quanh rotor 8

- Tầng cánh trước 1 và tầng cánh sau 2 mỗi tầng có ba cánh giống nhau về kích thước, góc tấn cánh trong khoảng từ 7 đến 10 độ Khoảng cách giữa 2 tầng cánh trong

khoảng từ 20 đến 70 cm để giới hạn độ trễ ở mức nhỏ nhất khi luồng gió đi tới hai tầng cánh

- Đuôi tuabin 27 gồm hai ống thép nối với nhau và một tấm thép 28 được hàn chặt vào ống thép Toàn bộ đuôi được gắn với khung xoay 21 nhờ bu lông Đuôi tuabin 27 có tác dụng điều chỉnh hướng hai tầng cánh thẳng về phía nguồn gió Chiều dài đuôi tuabin 27 bằng 1,3 lần bán kính cánh và diện tích đuôi không nhỏ hơn 1/14 lần diện tích quét của cánh

- Nắp chụp đầu cánh 31 gắn vào đĩa cánh của tầng cánh trước 1 Giúp tối ưu luồng gió đi vào cánh

- Vỏ thân tuabin 5 gắn vào vỏ động cơ stator để bảo vệ và giúp tuabin liền khối - Vỏ sau 32 bảo vệ phần khung xoay 21 và các bộ phận bên trong

- Tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập hoạt động như sau:

- Khi gió thổi vào tuabin đuôi tuabin 27 sẽ điều chỉnh cho hai tầng cánh trước 1 và tầng cánh sau 2 hướng thẳng về luồng gió, lúc này hai tầng cánh nhận năng lượng từ gió bắt đầu quay theo hai chiều ngược nhau kéo theo rotor và stator của máy phát điện quay, do hai tầng cánh quay ngược chiều nhau nên tốc độ quay của từ trường là cao hơn so với tuabin 1 tầng cánh Điều này giúp cho ra sản lượng điện nhiều hơn so với loại tuabin chỉ có một tầng cánh Dòng điện sinh ra sẽ được truyền qua cổ góp 14 và chổi than 15 sau đó truyền qua bộ cổ góp chổi than 26 rồi đi xuống nơi sử dụng

Hình 3.1 - Cấu hình cơ bản của tuabin 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập

Ưu điểm của tuabin gió theo sáng chế này là:

- Hiệu suất thu năng lượng gió cao cả ở vận tốc gió thấp và cao

- Công suất cao hơn tuabin gió 1 tầng cánh ở hầu hết các tốc độ gió, đặc biệt cao hơn ở tốc độ gió thấp

- Giải quyết được việc các tầng cánh bị cuốn theo nhau mà không cần sử dụng bánh răng hệ hành tinh

- Cấu tạo đơn giản dễ vận hành, lắp đặt và sửa chữa - Độ bền vật liệu cao và có thể tái chế

- Giá thành thấp do sản xuất được ở trong nước

3.2 Lý thuyết tính toán tuabin gió cơ bản

3.2.1 Thuyết động lượng một chiều (động lượng tuyến tính)

Thuyết động lượng được dùng để xét rotor tuabin gió dưới điều kiện tải gió phân bố đều trên mặt phẳng rotor, vận tốc gió giảm dần đều khi qua rotor (hình 3.2) Khi sử dụng thuyết này, có thể xem rotor như là một đĩa truyền động, dòng đi qua nó là tĩnh, 1 chiều, không nhớt và không có hiện tượng xoay Đĩa này tương đương một bề mặt thấm với bề dày vô cùng nhỏ

Hình 3.2 - Dòng chảy 1 chiều qua đĩa tuabin [28]

Định luật bảo toàn năng lượng theo thuyết động lượng 1 chiều cho biết công suất khai thác được từ dòng gió qua đĩa tuabin có diện tích quét A [28] dựa theo công thức tính dưới đây:

𝑃 =1

2𝜌𝑢𝐴(𝑉02− 𝑢12) (1) Trong đó các vận tốc u và u1 lần lượt được tính theo các công thức [28]:

(5) Hệ số công suất và hệ số lực đẩy được tính theo giá trị a theo công thức:

𝐶𝑝(𝑎) = 4𝑎(1 − 𝑎)2 (6a)

Từ công thức (6a) và (6b), hệ số lực đẩy đạt giá trị cực trị khi a=1/2, hệ số công suất đạt giá trị cực đại tại a=1/3, gọi là hệ số công suất Betz với giá trị là 0,593 Trong thực tế đối với những giá trị a > 1/3, công thức hiệu chỉnh Glauert sẽ được sử dụng để tính hệ số lực đẩy phụ thuộc vào hệ số cảm ứng dọc trục a [29], và về tổng quan, có thể biến đổi thành:

𝐶𝑇(𝑎) = { 4𝑎(1 − 𝑎) 𝑣ớ𝑖 𝑎 <

4𝑎 (1 −1

3(5 − 3𝑎)𝑎) 𝑣ớ𝑖 𝑎 ≥1

(7)

3.2.2 Phương pháp động lượng phân tố cánh (PP-DLPTC)

Hình 3.3 thể hiện nguyên lý của phương pháp động lượng phân tố cánh: chia đĩa tuabin thành vô số hình khuyên độ dày dr tại bán kính r và thực hiện phân tích Phương pháp động lượng phân tố cánh chỉ ra rằng có thể vẽ một tam giác vận tốc để phân tích xu hướng chuyển động của gió qua cánh tuabin khi xét đến thêm 2 yếu tố là thành phần vận tốc cảm ứng dọc trục 𝑎𝑉0 và thành phần vận tốc cảm ứng tiếp tuyến 𝑎′𝜔𝑟

Hình 3.4 - Các vận tốc và lực tác động lên phân tố cánh tại vị trí bán kính r

+ θp: Góc nghiêng của phần tử cánh so với mặt phẳng xoay

+ α: Góc tấn

+ φ = θp + α: Góc gió đến tương đối

+ θp,0: Góc nghiêng chung của cánh, thường tính tại phân tố ở đỉnh cánh + θr: Góc đặt cánh so với góc nghiêng chung

Ở đây có các định nghĩa đối với các loại lực tác động lên cánh tuabin như sau [30]:

+ Lực nâng: là lực có phương vuông góc với phương của dòng gió tương đối đi vào tuabin (Urel) Nguyên nhân tạo ra lực nâng là sự không đồng đều về áp suất giữa bề mặt trên (upper surface) và dưới (lower surface) của cánh tuabin dưới tác động của gió và tốc độ quay của chính nó

+ Lực cản: là lực có phương song song với phương dòng gió tương đối Nguyên nhân của lực cản đến từ lực ma sát nhớt trên bề mặt cánh tuabin và sự không đồng đều của áp suất mặt trước và sau của cánh tuabin (theo chiều gió)

Nếu giả sử các điều kiện dưới đây được thỏa mãn, thì khi áp dụng phương pháp này, hoàn toàn có thể tính toán được lực nâng l và lực cản d trên từng phân tố cánh và từ đó tính toán được trên toàn bộ tuabin:

1 Không có tương tác dọc trục của các dòng khác nhau qua từng phân tố cánh 2 Biết hệ số lực nâng Cl và lực cản Cd như là một hàm của góc tấn và hệ số Reynolds (Re)

3 Công thức thực nghiệm 7 là đúng trong ống dòng ở Hình 3.3 4 Không có biến thiên phương vị tại vận tốc đầu ra 𝑢1

Để đảm bảo giả thiết số 4 ở trên, có thể sử dụng hệ số hiệu chỉnh đầu mút Prandtl [29] khi mô phỏng tuabin với số lượng cánh hữu hạn nhưng cho kết quả tính toán gần giống với mô hình dòng chảy thật qua cánh (có dạng xoáy):

𝐹 = 2𝜋cos

3(5 − 3𝑎)𝑎) 𝑣ớ𝑖 𝑎 ≥13

(9)

3.3 Nghiên cứu tính toán khí động học tuabin gió 2 tầng cánh

Giới hạn Betz cho tuabin gió một tầng cánh là 59,3% và được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới Tuy nhiên các nhà khoa học vẫn có câu hỏi rằng liệu rằng và bằng cách nào con người có thể khai thác tối ưu hơn công suất của tuabin gió với một điều kiện trường gió cố định cho trước? Bởi vì ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nó, nên vẫn là một vấn đề rất cần được nghiên cứu Dưới đây trình bày tóm lược nội dung chính của các lý thuyết được nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài này

- Newman và các cộng sự của mình [31] có thể được xem là những người đầu tiên nghiên cứu về vấn đề này vào năm 1986 Dựa trên “thuyết động lượng tuyến tính” hay còn gọi là “thuyết động lượng 1 chiều” như đã đề cập ở mục 3.2, Newman đã tiên đoán hệ số công suất tối đa cho tuabin gió 2 tầng cánh - với kích thước các tầng cánh giống nhau - là 64%, tức là cao hơn khoảng 5% so với tuabin một tầng cánh Nghiên cứu của Newman được đề cập cụ thể ở mục 3.3.1

Trong mô hình của mình, Newman đề xuất dòng khí đến rotor trước sẽ được

chia thành 2 ống dòng (ống dòng trong và ống dòng ngoài) Trong đó rotor phía sau được che phủ hoàn toàn bởi “ống dòng trong” của rotor phía trước Đồng thời, đối với rotor trước, hệ số cảm ứng dọc trục của ống dòng trong và ống dòng ngoài là như nhau Việc đặt thêm các rotor phía sau, theo kết quả nghiên cứu của Newman

và các cộng sự của mình, chỉ giúp tăng một lượng rất nhỏ hệ số công suất tối đa cho tuabin gió

- Cho đến những năm gần đây, Chantharasenawong và các cộng sự [32], Agrawal [33]… cũng sử dụng lý thuyết động lượng tuyến tính để nghiên cứu tuabin gió 2 tầng cánh Nghiên cứu của họ về cơ bản là dựa trên kết quả từ Newman, với 2 sự

hiệu chỉnh chính Đầu tiên, hệ số cảm ứng dọc trục của dòng khí trong ống dòng trong và ống dòng ngoài không còn được xem là giống nhau nữa và tách thành 2 hệ số riêng biệt Tiếp theo, giữa rotor phía trước và phía sau, áp suất khí được giả định là phục hồi về áp suất khí quyển Giả định thứ 2 này cũng có thể được kiến giải

tương đương với việc 2 rotor sẽ hoạt động hoàn toàn độc lập và không tương tác khí động gì lên nhau Rotor phía sau không tác động gì lên ống dòng đi qua rotor phía

trước Rotor phía trước chỉ tác động lên rotor phía sau bởi sự giảm tốc độ gió ở vết (wake) của nó

Theo kết quả của các nhóm nghiên cứu này, tuabin 2 tầng cánh cùng kích thước rotor cho ra hệ số công suất tối đa lên đến 81,4%, tức là cao hơn khoảng 22% so với giới hạn Betz và cao hơn 17,4% với kết quả nghiên cứu của Newman cho tuabin gió 2 tầng cánh

Nghiên cứu của nhóm Chantharasenawong và nhóm Agrawal được đề cập cụ thể ở mục 3.3.2

- Năm 2017, nhóm nghiên cứu của Haripriya Sundararaju [34] đã tính thêm tác động của các thông số đến từ thực tiễn như: khoảng cách giữa 2 rotor, kích thước tương đối giữa các rotor, tỉ tốc đầu cánh của mỗi rotor vào những kết quả nghiên cứu của các nhóm trước đây

Thuyết động lượng tuyến tính cũng được sử dụng Tuy nhiên Sundararaju bỏ giả định áp suất phục hồi về khí quyển của 2 nghiên cứu từ nhóm Chantharasenawong, Agrawal Do đó, “hiệu ứng cặp” hay còn gọi là tương tác của

rotor trước và sau, trong lòng của ống dòng trong, được tính đến

Nhóm này rút ra được công thức có phần tổng quan hơn để tính toán tuabin gió 2 tầng cánh Hệ số công suất tối đa mà họ thu được cũng là 81,4% như của nhóm Chantharasenawong và nhóm Agrawal

Nghiên cứu của nhóm Sundararaju được đề cập cụ thể ở mục 3.3.3

- Năm 2022, Nhóm của F F Yin [24] đã nghiên cứu, cải tiến kết quả thu được

từ nhóm của Sundararaju và ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh để tính toán tuabin gió 2 tầng cánh

Nghiên cứu của nhóm F F Yin được đề cập cụ thể ở mục 3.3.4

Từ những nghiên cứu nói trên, có thể mở rộng đề tài bằng cách:

+ Nghiên cứu cách ứng dụng và tìm các tham số hiệu chỉnh phù hợp để có thể ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh cho tuabin cánh thẳng Đó là bởi vì để giải được bài toán bằng phương pháp này thì vẫn cần phải giả định là đã biết số Re, tức là biết hệ số Cl, Cd của tất cả các phân tố cánh Thông thường giả định này là có

thể chấp nhận được bởi lẽ các nhà thiết kế thường thiết kế cánh với góc đặt cánh, cung cánh thay đổi theo khoảng cách xuyên tâm sao cho góc tấn và hệ số Re không thay đổi nhiều dù ở bán kính nào Tuy nhiên giả định này không đúng với cánh thẳng bởi vì sự chênh lệch rất lớn giữa góc tấn ở phân tố cánh gần gốc và phân tố cánh ở đỉnh tuabin

+ Thêm hệ số tỉ lệ đường kính 2 tầng cánh vào các phương trình bảo toàn Sau đó phát triển thêm lý thuyết tính ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh với đầy đủ các tham số để ra được kết quả tổng quát nhất, nhanh chóng hơn so với việc sử dụng mô phỏng trên TTS-DLHCL

+ Nghiên cứu bài toán TTS-DLHCL cụ thể đối với tuabin cánh thẳng 2 tầng cánh và so sánh với các lý thuyết trên

3.3.1 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của Newman

Xét một tuabin gió gồm n đĩa dẫn động (actuator discs) như trên hình 3.5, khoảng cách giữa các đĩa là đủ lớn để dòng đi qua mỗi đĩa có thể được xem là dòng 1 chiều

Tốc độ dọc trục qua mặt trước và sau của đĩa thứ r là như nhau và có giá trị: V(1-ar) Trong đó V là vận tốc dòng gió tự do vào tuabin, a là hệ số cảm ứng dọc trục Ống dòng ngoài của đĩa thứ r khi đi lướt qua vành ngoài của đĩa thứ r+1 được đặc trưng bởi hệ số br Tốc độ dọc trục do đó sẽ là V(1-br)

Áp suất trước và sau đĩa thứ r được kí hiệu là pr và qr

Từ đây có thể chia tổng thể dòng gió đi qua đĩa thành nhiều ống dòng nhỏ như trên hình 3.5 Phần cắt giữa ống dòng và đĩa là một hình khuyên diện tích Amr trong đó m thể hiện thứ tự đĩa mà ống dòng đang xét nằm trong đó; r là thứ tự của ống dòng đang xét tại đĩa m dọc theo chiều xuyên tâm, mà đối với đĩa thứ r thì nó là ống dòng ngoài (đối với đĩa thứ r+1 thì ống dòng Amr này sẽ lướt qua bên ngoài diện tích quét của đĩa) Mỗi đĩa thì chỉ có 1 ống dòng gọi là ống dòng ngoài Ống dòng ngoài xem như không bị ảnh hưởng bởi rotor tiếp sau về phía hạ lưu

Ví dụ như trên hình 3.5, ống dòng A(r-1)r tại đĩa r-1 Chữ “r-1” chỉ ra rằng ống dòng đang xét là ở đĩa thứ r-1; chữ “r” ý chỉ ống dòng thứ tự r tại đĩa “r-1”, khi giãn nở về phía hạ lưu thì sẽ trở thành ống dòng ngoài của đĩa thứ r